一种多轴铣削加工颤振主动控制设备及抑制方法技术

本发明专利技术属于铣削加工相关技术领域，其公开了一种多轴铣削加工颤振主动控制设备及抑制方法，所述抑制方法包括以下步骤：(1)采集刀具的振动状态，并基于采集到的振动状态数据依据控制律计算得到此时压电作动器用于抑制颤振所需的控制电压；(2)施加计算得到的该控制电压给压电作动器，使得压电作动器进行作动以产生作动力而作用于刀杆，由此实现对刀具颤振的抑制。本发明专利技术利用激光位移传感器实时测量刀具的振动状态，基于主动控制律计算控制电压并输出给压电作动器，以实现实时控制，且提高了准确性。确性。确性。

【技术实现步骤摘要】
一种多轴铣削加工颤振主动控制设备及抑制方法


[0001]本专利技术属于铣削加工相关
，更具体地，涉及一种多轴铣削加工颤振主动控制设备及抑制方法。

技术介绍

[0002]在铣削加工中，颤振是影响加工效率的重要因素，发生颤振时，刀具与工件发生剧烈的相对振动，影响零件的加工表面质量，损伤刀具，严重时甚至会造成机床本体的破坏，多轴铣削加工在诸如螺旋桨，涡轮叶片等复杂曲面类零件的加工中应用越来越广，通过变换刀轴矢量可以在一个工序中完成复杂的刀路加工，其刀具可达性好，可以避免刀具与工件之间的干涉，然而，刀轴矢量变化带来铣削力的变化，同时，考虑铣削加工中的再生效应，系统为时滞时变系统，在加工时可能导致颤振。因为刀轴矢量发生变化的过程中刀具在空间中的位置发生改变，如果固定作动器在空间中的位置，则不能实现对于刀轴矢量改变时的颤振控制，因此，必须使得多轴铣削颤振主动控制装置与主轴端固定连接。作动器是铣削加工颤振主动控制的核心部件，提供主动控制所需要的主动控制力，压电作动器具有体积小，响应快，输出力大等优点，在颤振控制领域被广泛使用。
[0003]针对铣削加工系统施加主动控制以抑制颤振的发生，保证加工质量，本质是抑制刀具与工件之间的相对振动，因此，可以对工件或者刀具施加控制来抑制其振动。现有的在工件端施加主动控制的方式需要作动器作动工件以抵消刀具与工件之间的相对振动，但在大型零件加工中应用较为困难，作动工件运动需要提供较大的能量。同时，现有的对工件端施加控制主要针对三轴铣削，在使用细长刀具进行多轴铣削加工时刀具更易发生振动，此时作动器的作动力在工件端所在的平面与刀轴矢量不再垂直，经过投影之后的控制力才能直接控制刀具与工件之间的相对振动，造成控制力的浪费。现有的控制刀具端的主动控制中，作动器大都被安装于电主轴端，然而在拆装主轴的过程中可能会造成电主轴损坏，同时，在电主轴端施加主动控制力以抑制集中在刀尖的铣削力导致的刀具振动需要较大的控制力，消耗较大的能量。同时现有的主动控制方法对模型本身的变化探究极少，且一般认为控制作用于刀尖点，这与实际不相符，控制模型不够精确，对控制作用下实际的物理系统特性变化求解也不够精确。
[0004]针对上述问题，本专利技术针对多轴铣削加工的颤振，控制刀杆处的振动以抑制刀尖的振动，降低了作动器的能量消耗，为了方便地调节作动力控制刀杆的位置，本专利技术设计的控制设备拥有垂直与水平位置调节功能。同时，本专利技术提出了控制设备的使用方法。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种多轴铣削加工颤振主动控制设备及抑制方法，其控制铣削加工中刀具的振动以抑制颤振。主动控制设备以压电作动器为核心，当刀具因铣削加工中铣削力的作用导致振动时，采用激光位移传感器实时测量刀具的振动状态并将其传递到上位机颤振控制软件中，控制软件根据选定的控制方法和
当前的系统振动状态值计算此时的控制电压值，输出数字信号给压电作动器的控制器进而输出电压来控制压电作动器来进行运动，压电作动器伸长，因控制设备与刀具限制了压电作动器的首尾端的位移，因此被限制的位移转换为输出力施加于刀具，以此来控制刀具的振动状态以达到减小刀具与工件之间的相对振动的目的，实现颤振控制。同时，针对设计的基于压电作动器的多轴铣削加工颤振主动控制装置，根据压电作动器作动力输出的位置推导了以压电作动器作动力为输入，刀杆位移响应为输出的传递函数模型，结合选定的控制规则推导了控制作用下的刀尖传递函数模型。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种多轴铣削加工颤振的抑制方法，该抑制方法包括以下步骤：
[0007](1)采集刀具的振动状态，并基于采集到的振动状态数据依据控制律计算得到此时压电作动器用于抑制颤振所需的控制电压；其中，控制律进行控制作用所采用的传递函数为：
[0008]C(s)＝kp+kd
·
s
[0009]式中，kp与kd分别为比例与微分项系数，对应的刀尖处的传递函数模型的数学表达式为：
[0010][0011]式中，G
tt
(s)表示铣削力至刀尖位移响应的传递函数矩阵，G
dd
(s)表示控制力至位移传感器测量的刀杆处的位移响应的传递函数矩阵，刀杆处铣削力的响应为G
tt
(s)
·
G
dt
(s)，刀尖处控制力的响应为G
dd
(s)
·
G
td
(s)，C(s)表示控制作用传递函数；
[0012](2)施加计算得到的该控制电压给压电作动器，使得压电作动器进行作动以产生作动力而作用于刀杆，由此实现对刀具颤振的抑制。
[0013]进一步地，该抑制方法所采用的颤振主动控制装置与刀具的耦合微分运动方程为：
[0014][0015]其中，m1，c1，k1为刀具的等效质量、刚度与阻尼，m2为作动器与支架相加的等效模态质量，c2，k2，c3，k3分别是作动器、安装支架的等效刚度与阻尼；F代表外界干扰力，F
d
代表压电作动器输出力；x1(t)为刀杆的位移；x2(t)为与作动器直接相接触的支架的位移。
[0016]进一步地，根据耦合微分运动方程得到的以压电作动器的作动力为输入，刀杆位移响应为输出的刀杆处的传递函数模型的表达式为：
[0017][0018]其中：
[0019]A＝m1m2[0020]B＝m1(c2+c3)+m2(c1+c2)
[0021]C＝m1(k2+k3)+m2(k1+k2)+c1c2+c2c3++c1c3[0022]D＝c1(k2+k3)+c2(k1+k3)+c3(k1+k2)
[0023]E＝k1k2++k1k3++k2k3。
[0024]进一步地，将作动力与铣削力作用导致的振动位移做线性叠加，则有：
[0025]Z
t
(s)＝G
tt
(s)
·
F
t
(s)+G
td
(s)
·
G
dd
(s)F
d
(s)
[0026]Z
d
(s)＝G
dd
(s)
·
F
d
(s)+G
dt
(s)
·
G
tt
(s)F
t
(s)
[0027]F
d
(s)＝C(s)
·
Z
d
(s)；
[0028]进而考虑输出力无法直接作用于刀尖点而是与压电作动器直接接触的刀杆处，得到以铣削力为输入，刀尖位移响应为输出的刀尖传递函数模型。
[0029]进一步地，通过模态试验法测量得到刀具的模态参数，将其等效为二阶微分系统；通过有限元响应分析得到与刀具固定连接的颤振主动控制装置处的模态特性，也将其等效为二阶微分系统；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多轴铣削加工颤振的抑制方法，其特征在于，该抑制方法包括以下步骤：(1)采集刀具的振动状态，并基于采集到的振动状态数据依据控制律计算得到此时压电作动器用于抑制颤振所需的控制电压；其中，控制律进行控制作用所采用的传递函数为：C(s)＝kp+kd
·
s式中，kp与kd分别为比例与微分项系数，对应的刀尖处的传递函数模型的数学表达式为：式中，G
tt
(s)表示铣削力至刀尖位移响应的传递函数矩阵，G
dd
(s)表示控制力至位移传感器测量的刀杆处的位移响应的传递函数矩阵，刀杆处铣削力的响应为G
tt
(s)
·
G
dt
(s)，刀尖处控制力的响应为G
dd
(s)
·
G
td
(s)，C(s)表示控制作用传递函数；(2)施加计算得到的该控制电压给压电作动器，使得压电作动器进行作动以产生作动力而作用于刀杆，由此实现对刀具颤振的抑制。2.如权利要求1所述的多轴铣削加工颤振的抑制方法，其特征在于：该抑制方法所采用的颤振主动控制装置与刀具的耦合微分运动方程为：其中，m1，c1，k1为刀具的等效质量、刚度与阻尼，m2为作动器与支架相加的等效模态质量，c2，k2，c3，k3分别是作动器、安装支架的等效刚度与阻尼；F代表外界干扰力，F
d
代表压电作动器输出力；x1(t)为刀杆的位移；x2(t)为与作动器直接相接触的支架的位移。3.如权利要求2所述的多轴铣削加工颤振的抑制方法，其特征在于：根据耦合微分运动方程得到的以压电作动器的作动力为输入，刀杆位移响应为输出的刀杆处的传递函数模型的表达式为：其中：A＝m1m2B＝m1(c2+c3)+m2(c1+c2)C＝m1(k2+k3)+m2(k1+k2)+c1c2+c2c3++c1c3D＝c1(k2+k3)+c2(k1+k3)+c3(k1+k2)E＝k1k2++k1k3++k2k3。4.如权利要求3所述的多轴铣削加工颤振的抑制方法，其特征在于：将作动力与铣削力作用导致的振动位移做线性叠加，则有：Z
t
(s)＝G
tt
(s)
·
F
t
(s)+G
td
(s)
·
G
dd
(s)F
d
(s)Z
d
(s)＝G
dd
(s)
·
F
d
(s)+G
dt
(s)
·
G
tt
(s)F
t
(s)F
d
(s)＝C(s)
·
Z
d
(s...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐小卫，彭芳瑜，高顺，闫蓉，杨慰，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：